После рекомбинации вещество начало концентрироваться в виде постоянно уплотняющихся сгустков, из которых образовались первые звезды и галактики. Но учитывая угловой размер структур, наблюдаемых в РИ, предполагается, что Вселенная должна отличаться значительной упорядоченностью и в более крупных масштабах, чем на уровне галактик, поперечник которых составляет всего лишь порядка 100 000 световых лет. То есть галактики не должны быть произвольно распределены в пространстве, они должны объединяться в более крупные структуры. Чтобы нанести на карту такие структуры, вновь обратимся к закону Хаббла. Как уже упоминалось, когда мы рассматриваем астрономические изображения, мы видим все объекты, словно они нарисованы на плоском куполе неба, абсолютно не воспринимаем перспективу и вполне можем не отличить близлежащую галактику от далекой. Но закон Хаббла позволяет нам заглянуть в третье измерение: измеряя красное смещение каждой галактики, мы можем определить расстояние до нее и проверить, как галактики распределены в пространстве.
С конца 1970-х годов астрономы всерьез принялись измерять красное смещение тысяч галактик и смогли построить трехмерную карту их расположения. В итоге было замечено, что галактики распределены в пространстве совсем не как попало: они образуют скопления (до 3 миллионов световых лет в поперечнике), в которых насчитываются тысячи галактик, а между скоплениями лежат пустынные области – войды – поперечником по 300 миллионов световых лет, где галактики практически отсутствуют. Действительно, такие первые карты заставили усомниться в космологическом принципе: на этих картах столь явственно прослеживалась структурность, что возникал вопрос: а есть ли вообще такой масштаб, при котором Вселенная выглядит однородной, или все более обширные обзоры неба будут выявлять все более крупные структуры? Проект «Слоановский цифровой обзор неба» разрабатывался, в том числе, и ради ответа на этот вопрос. Его телескоп специально предназначен для картографирования неба; сегодня он измерил красные смещения уже более чем у 2 миллионов галактик. На рис. 15.4 показана карта небольшой доли этих галактик, укладывающихся в четырехградусный сегмент, расположенный в экваториальной плоскости Земли. Если бы мы отобразили на этом графике все точки данных, то они легли бы так плотно, что вся сетка была бы покрыта сплошным слоем краски и никакой структуры не было бы видно.
Каждая из более чем 50 000 точек на этом рисунке соответствует галактике, в которой 100 миллиардов звезд. На секунду задумайтесь об этих числах и прочувствуйте всю их колоссальность.
Мы видим два больших сегмента круговой диаграммы; галактика Млечный Путь расположена в центре изображения. Пустые области слева и справа не охвачены обзором; эти регионы не просматриваются из-за пыли, рассеянной по Млечному Пути, и в них сложно вычленить далекие галактики.
Рис. 15.4. Распределение галактик в экваториальном сегменте по данным Слоановского цифрового обзора неба. Каждая точка – это галактика. На двух лепестках отображены галактики, попавшие в область обзора; два пустых региона не охвачены обзором. Радиус схемы – примерно 2,8 миллиарда световых лет. Иллюстрация предоставлена: J. Richard Gott, M. Jurić, Astrophysical Journal 624: 463–484
Радиус этого изображения равен 860 мегапарсеков – почти 3 миллиарда световых лет. На такой картинке даже скопления галактик кажутся маленькими; большинство галактик, по-видимому, расположены вдоль волокон – это галактические нити, протянувшиеся на сотни миллионов световых лет. Одно из особенно известных волокон было названо «Великая стена Слоана», оно расположено немного выше центра карты. Длина этой стены – 1,37 миллиарда световых лет. Но мы нигде не находим таких структур, которые бы простирались на целый сегмент обзора; таким образом, на величайших масштабах космологический принцип Эйнштейна соблюдается.
Обратите внимание: у краев карты плотность расположения галактик радикально снижается. Это не означает, что космологический принцип ошибочен: все дело в том, что галактики из этих областей наиболее удалены от нас, и поэтому они самые тусклые. Лишь малая доля таких далеких галактик обладает достаточной светимостью, чтобы в Слоановском цифровом обзоре неба удалось измерить их спектры и, таким образом, учесть их красные смещения на этой карте.
Если сравнить эту карту с картой РИ, полученной спутником WMAP, то даже с учетом гравитационной неустойчивости совсем не очевидно, как флуктуации порядка «один на 100 тысяч» могли привести к образованию такой Вселенной, невероятно структурированной на уровне распределения галактик, какую мы наблюдаем сегодня. Уравнения гравитационной неустойчивости (основанные на ньютоновском законе всемирного тяготения, но учитывающие дополнительные сложности, связанные с расширением Вселенной) можно решить приблизительно и убедиться, что числа в целом верны. Но чтобы посчитать как следует и понять, какое гравитационное воздействие оказывает каждая частица материи во Вселенной на каждую другую частицу, нужен большой компьютер. В качестве исходных данных берем распределение материи с небольшими флуктуациями на том уровне, который зафиксирован на карте РИ. Затем подключаем действие гравитации плюс эффект расширения Вселенной и моделируем на компьютере, как эта структура должна была развиваться в течение 13,8 миллиарда лет. Результирующее распределение галактик, которое дают такие компьютерные модели, демонстрирует такую же структурность, которую мы видим на картах: скопления, войды и волокна – точно таких размеров и с такой же контрастностью, как и при наблюдениях.
Разумеется, мы не рассчитываем, что компьютерные модели позволят в точности воспроизвести структуры, встречающиеся в современной Вселенной, – нет, это будут просто структуры с такими же статистическими свойствами. Как вы помните, та часть Вселенной, которую мы видим в форме РИ, очень далека от нас; мы не можем наблюдать, как из материи формируются ближайшие к нам галактики. Но мы действительно полагаем, что общие свойства (и в том числе флуктуации) материи, породившей РИ, статистически подобны свойствам материи, из которой образовались галактики, расположенные вокруг нас. В целом крупные компьютерные симуляции, основанные на модели Большого взрыва, удивительно успешно воспроизводят волокнистую паутиноподобную структуру, которую мы видим при наблюдениях.
Итак, вот он, окончательный триумф модели Большого взрыва. Мы исследовали прогнозы этой модели и сравнили их с наблюдениями всеми доступными способами. Мы логически заключили, что возраст Вселенной, 13,8 миллиарда лет, отлично согласуется с возрастом древнейших звезд (то есть
